¿Cómo crea la nanotecnología los nanochips?
Sabemos que los chips de ordenador actuales están fabricados con materiales semiconductores. Se puede decir que el siglo XX es el siglo de los semiconductores o la microelectrónica. La tecnología microelectrónica se refiere al uso de tecnología de estructura fina micrométrica y submicrónica para desarrollar microcircuitos electrónicos (llamados microcircuitos electrónicos) compuestos por miles de transistores y componentes electrónicos en láminas delgadas de materiales semiconductores monocristalinos (actualmente principalmente monocristales de silicio). (para chips), que se ensamblan en varios instrumentos microelectrónicos, medidores y computadoras a partir de chips con diferentes funciones. Se puede considerar un chip como un bloque de circuito integrado. El desarrollo de bloques de circuitos integrados desde pequeña hasta gran escala puede verse como un proceso de miniaturización continua. El circuito integrado de pequeña escala desarrollado a finales de la década de 1950 tiene un nivel de integración de 10 componentes. En la década de 1960, se desarrolló hasta convertirse en circuitos integrados de mediana escala, con un nivel de integración de 1.000 componentes. En la década de 1970 se desarrollaron circuitos integrados a gran escala, con un nivel de integración que alcanzó los 654,38 millones de componentes. En el siglo XX se desarrollaron circuitos integrados a muy gran escala, con un nivel de integración de más de 65.438 millones de componentes. En 1988, la International Business Machines Corporation (1BM) de Estados Unidos desarrolló con éxito una memoria dinámica de acceso aleatorio con una capacidad de almacenamiento de 64 megabytes. El ancho de la tira del circuito integrado era de sólo 0,35 micrones. El nuevo producto desarrollado actualmente en el laboratorio es de 0,25 micras y se encamina hacia las 0,1 micras. En 2001, había caído a 0,1 micras, es decir, 100 nanómetros. Este es el cuarto gran avance en la historia de la tecnología electrónica. Hoy en día, el nivel de integración del chip se ha incrementado aún más hasta los 654,38 millones de componentes. Si se reduce aún más el ancho de la banda de los circuitos integrados, se producirán una serie de efectos físicos que limitarán el desarrollo de la tecnología microelectrónica. Para abordar este desafío, se propuso el concepto de nanoelectrónica. Este fenómeno muestra que a medida que aumenta el nivel de integración de los circuitos integrados, el ancho de la tira dentro del chip es cada vez más pequeño, por lo que la calidad de los materiales de silicio monocristalino utilizados para fabricar circuitos integrados es cada vez mayor. Incluso una mota de polvo puede destruir uno o incluso varios transistores, razón por la cual el propio Moore condenó a muerte la Ley de Moore hace unos años.
Según las predicciones de los expertos, en el siglo XXI los humanos desarrollaremos ordenadores que combinen chips de procesamiento de emblemas con células vivas. El componente central de esta computadora es un nanochip. Los chips son componentes clave de las computadoras. Con el desarrollo de las ciencias biológicas y de los materiales, los científicos están desarrollando biochips, incluidos chips de proteínas y chips de ADN.
El chip de proteína es una estructura laminada con una estructura de película ultrafina hecha de materiales biológicos como moléculas de proteína mediante un proceso especial. Por ejemplo, la proteína se prepara en un líquido de concentración adecuada, se extiende en una sola capa sobre la superficie del agua y luego se coloca sobre la capa estacional. Utilizando el mismo método para preparar una película orgánica, una biopelícula con un espesor de 80-. Se pueden obtener 480 nanómetros. Esta película está compuesta por dos tipos de películas orgánicas. Cuando la película se expone a la luz ultravioleta, la resistencia aumenta en aproximadamente 40, pero vuelve a su estado original cuando se expone a la luz visible. Otro tipo de película no se ve afectada por la luz visible, pero cuando se expone a la luz ultravioleta, su resistencia cae aproximadamente un 6. Según los informes, la japonesa Mitsubishi Electric ha combinado dos biomateriales para crear un nuevo dispositivo de conmutación que se puede controlar con luz. Esta película sienta las bases experimentales y crea buenas condiciones para un mayor desarrollo de componentes bioelectrónicos.
Este chip de proteína es de tamaño pequeño y tiene una alta densidad de componentes. Según las mediciones, puede alcanzar 1,01,5 ~ 1,01,6 por centímetro cuadrado, lo que es decenas de miles de veces mayor que el de los circuitos integrados de obleas de silicio, lo que indica que los dispositivos fabricados con este chip son mucho más rápidos que los circuitos integrados actuales. Debido a que este chip está compuesto de moléculas de proteínas y tiene la capacidad de autorrepararse hasta cierto punto, es decir, se convierte en una máquina viva, por lo que puede integrarse directamente con organismos vivos, como los conectados orgánicamente al cerebro y al sistema nervioso. sistema, y puede ampliar la extensión del cerebro.
Algunas personas imaginan que implantar chips de proteínas en el cerebro obrará milagros. Por ejemplo, los defectos congénitos o los daños adquiridos en la visión se pueden reparar para que vuelva a brillar.
Aunque la producción y el ensamblaje de los componentes moleculares mencionados anteriormente aún se encuentran en la etapa de exploración, y los materiales biológicos como las proteínas naturales no pueden convertirse directamente en componentes moleculares, y el procesamiento a nivel molecular es muy difícil. , las perspectivas son brillantes. Según los informes, Japón ha formulado un plan decenal para desarrollar biochips y el gobierno planea invertir mil millones de yenes en diversas investigaciones. Algunas grandes empresas del mundo, como Hitachi y Sharp, son optimistas sobre las perspectivas de los biochips y conceden gran importancia a este trabajo de investigación.
Existen aproximadamente 654.3804 millones de células nerviosas en el cerebro humano, que se encargan del pensamiento, el sentimiento y las actividades corporales. Aunque las computadoras existen desde hace muchos años, todavía están lejos de ser tan sofisticadas como el cerebro humano. Para que las computadoras tengan las funciones y la eficiencia del cerebro humano lo antes posible, los científicos se han dedicado a la investigación y el desarrollo de computadoras con inteligencia artificial en los últimos años y han logrado muchos avances. Las computadoras con inteligencia artificial se basan en biochips. Hay muchos tipos de biochips y el circuito integrado de hemoglobina es uno de los nuevos biochips.
El bioquímico estadounidense James MacArthur propuso por primera vez la idea de combinar la biotecnología con la tecnología electrónica. Según el principio de funcionamiento binario de las computadoras, descubrió que la hemoglobina también tiene propiedades biestables similares a "encendido" y "apagado". Los dos cambios anteriores ocurren cuando cambia la carga transportada por la hemoglobina, lo que hace posible utilizar la hemoglobina biológica para formar circuitos lógicos similares a los circuitos electrónicos de silicio. MacArthur utilizó tecnología de ADN recombinante de bioingeniería para crear un "circuito biointegrado" de hemoglobina por primera vez, logrando un gran avance en el desarrollo de un "cerebro artificial". Desde entonces, se han ido iniciando paulatinamente las investigaciones sobre circuitos biointegrados. Los científicos estadounidenses han reorganizado con éxito el tejido celular vivo en obleas de silicio. Tiene la fuerza de las obleas de silicio y la flexibilidad e inteligencia de las células vivas con biomoléculas. El biochip de poli-L-lisina desarrollado por científicos alemanes puede contener 10 mil millones de puntos de datos en un chip de 1 milímetro cúbico y puede funcionar a una velocidad de 10 picosegundos (milmillonésimas de segundo), que es casi 100 veces más rápido que las computadoras existentes. .
El chip de ADN también se llama chip genético. El ADN es la abreviatura de ácido desoxirribonucleico, el material genético de la vida humana. Dado que la cadena molecular de ADN se basa en ATGC (A-T, G-C), utiliza una tecnología de fotolitografía llamada "química de síntesis combinatoria in situ" y chips microelectrónicos u otros métodos para combinar una gran cantidad de fragmentos de NA de secuencias específicas en solidificados secuencialmente en obleas de vidrio o silicio para formar chips de ADN que almacenan una gran cantidad de información sobre la vida. El chip de ADN es una importante innovación tecnológica con las características de los tiempos en el campo de la alta tecnología en los últimos años.
Cada ADN es un microprocesador. La velocidad de computación del ADN es extremadamente alta. En teoría, su velocidad de cálculo puede alcanzar 1.015 operaciones por hora, que es 1.000 veces mayor que la de los chips de silicio. Además, la capacidad de almacenamiento del ADN es muy grande. Cada gramo de ADN puede almacenar información en cientos de millones de discos ópticos. Pero la principal dificultad actualmente es resolver el problema de la producción de datos de ADN.
Los chips de ADN tienen el potencial de inmovilizar centralmente los aproximadamente 80.000 genes humanos en un chip de 1 cm2. Una vez que el chip de ADN se empareja con el ADN de la muestra que se va a analizar, se puede detectar una gran cantidad de información sobre la vida correspondiente. Por ejemplo, busque la relación entre genes y cáncer, enfermedades infecciosas, enfermedades comunes y enfermedades genéticas, y estudie más a fondo los medicamentos correspondientes. Actualmente se conocen más de 6.000 enfermedades genéticas relacionadas con los genes, así como con efectos ambientales en el cuerpo humano, como las alergias al polen y las reacciones a la contaminación ambiental. Hay más de 200 genes relacionados con los efectos ambientales. El seguimiento exhaustivo de estos genes es de gran importancia para la ecología, el control ambiental y la salud humana.
La tecnología de chips de ADN no solo es un tema de aplicación importante en la investigación del genoma humano, sino también un método completamente nuevo para la investigación de genes funcionales. Por ejemplo, el polimorfismo de un solo nucleótido es un fenómeno muy importante en la vida. Los científicos creen que la diversidad y la personalidad del cuerpo humano dependen de diferencias genéticas. Es la manifestación de este polimorfismo de un solo nucleótido, como la forma y apariencia del cuerpo humano, que está relacionado con más de 500 genes. A través de chips de ADN es posible, en principio, determinar las características de una persona, incluso la forma de la cara, la apariencia, las características de apariencia y las diferencias en crecimiento y desarrollo.
El "gigante de los chips" Intel anunció en febrero de 2000 que había desarrollado con éxito un chip de transistores de 30 nanómetros utilizando la última nanotecnología. Este avance aumentará la velocidad de los chips de computadora a 10 veces la del año 2000 en los próximos 5 a 10 años, al tiempo que acercará la tecnología de obleas de silicio al límite físico. La velocidad de cálculo del nuevo chip es siete veces mayor que la del chip más rápido disponible actualmente. Una bala que vuela 30 centímetros se puede contar 20 millones de veces, y una bala que vuela 25 milímetros se puede contar 2 millones de veces. La puerta del transistor es el interruptor en el que el chip de la computadora realiza operaciones. El nuevo chip se basa en "puertas" de transistores de tres átomos de espesor, mucho más delgadas que los transistores de 180 nm utilizados en las computadoras actuales. El obstáculo para fabricar un chip de este tipo es controlar la cantidad de calor que genera. Cuanto más rápido corre un chip, más calor genera. El calor excesivo puede dañar los materiales utilizados para fabricar chips de computadora. Después de una larga investigación, Intel Corporation ha resuelto este problema. El transistor atómico está hecho de una nueva composición química que evita que el chip se caliente demasiado mientras está en funcionamiento. La aparición de este chip creará las condiciones para el desarrollo de una computadora que pueda simular la forma en que los humanos se comunican con las personas. Intel dijo que el transistor más pequeño y rápido del mundo que desarrollaron tiene sólo 30 nanómetros de espesor. Esto permitirá a Intel producir nuevos chips con 400 millones de transistores, velocidades de funcionamiento de 100 millones de veces por segundo y voltajes de funcionamiento inferiores a 1 voltio en los próximos 5 a 10 años. El Pentium IV, el chip más rápido actualmente en el mercado, integra 42 millones de transistores. Según Intel, los productos fabricados con este nuevo procesador estarán en el mercado ya en 2005.
Un ingeniero de Intel dijo: "El exitoso desarrollo de transistores de 30 nanómetros nos ha dado una nueva visión de los límites físicos del silicio. El silicio aún puede usarse durante 15 años. ¿Qué materiales reemplazarán al silicio después de eso? "Los transistores más pequeños significan velocidades más rápidas, y los transistores más rápidos son los componentes básicos de los chips de computadora de alta velocidad, que son el 'cerebro' de las computadoras", predijo Intel. Los "traductores universales" son una realidad. Por ejemplo, cuando los angloparlantes viajan a China, pueden utilizar un traductor portátil para traducir del inglés al chino en tiempo real, y no habrá barreras lingüísticas en aeropuertos, hoteles y tiendas. En términos de instalaciones de seguridad, este chip puede permitir que los sistemas de alarma reconozcan los rostros de las personas. Además, en el futuro, podrá comprar una computadora de escritorio de alta velocidad por unos pocos miles de yuanes, y la potencia informática puede ser comparable a la máquina host actual que vale decenas de millones de yuanes.
El número de transistores por unidad de área es un signo del grado de integración de un chip de ordenador. Cuantos más transistores, mayor será el nivel de integración, y cuanto mayor sea el nivel de integración, más rápida será la velocidad de procesamiento. Los transistores de 30 nm comenzarán a aparecer en productos que utilicen el proceso de 0,07 micrones. Intel utiliza actualmente un proceso de 0,18 micrones, mientras que el procesador Pentium de 1993 utilizaba un proceso de 0,35 micrones. Para "tallar" el circuito en el chip, el proceso de 0,07 micrones utiliza tecnología de litografía ultravioleta, que es más avanzada que la tecnología de litografía ultravioleta profunda más avanzada del año 2001. Si dibuja líneas en papel, utilice un lápiz sin filo para la litografía ultravioleta profunda y un lápiz afilado para la litografía ultravioleta.
Las ventajas de los transistores cada vez más pequeños radican principalmente en dos aspectos: primero, el rendimiento de los productos existentes se puede mejorar a un costo menor; segundo, los ingenieros pueden diseñar nuevos productos que de otro modo serían imposibles. Estos dos beneficios son los que impulsan el desarrollo de la tecnología de semiconductores, a medida que las empresas aumentan sus ganancias y potencialmente invierten más en investigación y desarrollo. Parece que la nanotecnología puede efectivamente prolongar la vida de la Ley de Moore, razón por la cual el propio Moore y muchos técnicos prestan atención a la nanotecnología.